Том 25 № 4 2023 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Акинцева А.В., Переверзев П.П. Моделирование взаимосвязи силы резания с глубиной резания и объемами снимаемого металла единичными зернами при плоском шлифовании.................................................................................................................... 6 Шарма Ш.С., Йоши А., Раджпут Й.С. Систематический обзор технологий производства металлической пены...................... 22 Карлина Ю.И., Кононенко Р.В., Иванцивский В.В., Попов М.А., Дерюгин Ф.Ф., Бянкин В.Е. Обзор современных требований к сварке трубных высокопрочных низколегированных сталей................................................................................................. 36 Старцев Е.А., Бахматов П.В. Влияние режимов дуговой автоматической сварки на геометрические параметры шва стыковых соединений из низкоуглеродистой стали, выполненных с применением экспериментального флюса.............................. 61 Мартюшев Н.В., Козлов В.Н., Ци М., Багинский А.Г., Хань Ц., Бовкун А.С. Фрезерование заготовок из мартенситной стали 40Х13, полученных с помощью аддитивных технологий.......................................................................................................... 74 Логинов Ю.Н., Замараева Ю.В. Оценка схемы многоканального углового прессования прутков и возможности ее применения на практике................................................................................................................................................................................. 90 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Раджпут Й.С., Шарма А.К., Мишра В.Н., Саксена К., Дипак Д., Шарма Ш.С. Влияние геометрии наконечника сварочного инструмента на характеристики растяжения соединений сплава АА8011, полученных сваркой трением с перемешиванием.... 105 Чинчаникар С., Гейдж М.Г. Моделирование рабочих характеристик и мультикритериальная оптимизация при токарной обработке нержавеющей стали AISI 304 (12Х18Н10Т) резцами с износостойким покрытием и с износостойким покрытием, подвергнутым микропескоструйной обработке.................................................................................................................................... 117 Гуле Г.С., Санап С., Чинчаникар С. Точение стали AISI 52100 с наложением ультразвуковых колебаний: сравнительная оценка и моделирование с использованием анализа размерностей.................................................................................................... 136 Пивкин П.М., Ершов А.А., Миронов Н.Е., Надыкто А.Б. Влияние формы тороидальной задней поверхности на углы режущего клина и механические напряжения вдоль режущей кромки сверла.................................................................................. 151 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Соколов Р.А., Муратов К.Р., Венедиктов А.Н., Мамадалиев Р.А. Влияние внутренних напряжений на интенсивность коррозионных процессов конструкционной стали......................................................................................................................... 167 Клименов В.А., Колубаев Е.А., Хань Ц., Чумаевский А.В., Двилис Э.С., Стрелкова И.Л., Дробяз Е.А., Яременко О.Б., Куранов А.Е. Модуль упругости и твердость титанового сплава, сформировавшегося в условиях электронного лучевого сплавления при 3D-печати проволокой................................................................................................................................................. 180 Воронцов А.В., Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Москвичев Е.Н., Новицкая О.С., Княжев Е.О., Денисова Ю.А., Леонов А.А., Денисов В.В. In situ анализ кристаллической решетки нитридных однокомпонентных и многослойных покрытий ZrN/CrN в процессе термоциклирования............................................................................................................................................... 202 Рубцов В.Е., Панфилов А.О., Княжев Е.О., Николаева А.В., Черемнов А.М., Гусарова А.В., Белобородов В.А., Чумаевский А.В., Гриненко А.В., Колубаев Е.А. Влияние высокоэнергетического воздействия при плазменной резке на структуру и свойства поверхностных слоёв алюминиевых и титановых сплавов............................................................................................... 216 Бобылёв Э.Э., Стороженко И.Д., Маторин А.А., Марченко В.Д. Особенности формирования Ni-Cr покрытий, полученных диффузионным легированием из среды легкоплавких жидкометаллических растворов.................................................................. 232 Бурков А.А., Коневцов Л.А., Дворник М.И., Николенко С.В., Кулик М.А. Формирование и исследование свойств покрытий из металлического стекла FeWCrMoBC на стали 35............................................................................................................ 244 Шарма Ш.С., Хатри Р., Йоши А. Синергетический подход к разработке легкого пористого металлического пеноматериала на основе алюминия с использованием литейно-металлургического метода.................................................................................... 255 Строкач Е.А., Кожевников Г.Д., Пожидаев А.А., Добровольский С.В. Моделирование эрозионного износа титанового сплава высокоскоростным потоком частиц........................................................................................................................................... 268 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 284 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 295 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 01.12.2023. Выход в свет 15.12.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 37,0. Уч.-изд. л. 68,82. Изд. № 209. Заказ 296. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 4 2023 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 4 2023 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 25 No. 4 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Akintseva A.V., Pereverzev P.P. Modeling the interrelation of the cutting force with the cutting depth and the volumes of the metal being removed by single grains in fl at grinding........................................................................................................................................ 6 Sharma S.S., Joshi A., Rajpoot Y.S. A systematic review of processing techniques for cellular metallic foam production................. 22 Karlina Yu.I., Kononenko R.V., Ivantsivsky V.V., Popov M.A., Deryugin F.F., Byankin V.E. Review of modern requirements for welding of pipe high-strength low-alloy steels.......................................................................................................................................... 36 Startsev E.A., Bakhmatov P.V. The infl uence of automatic arc welding modes on the geometric parameters of the seam of butt joints made of low-carbon steel, made using experimental fl ux......................................................................................................................... 61 Martyushev N.V., Kozlov V.N., Qi M., Baginskiy A.G., Han Z., Bovkun A.S. Milling martensitic steel blanks obtained using additive technologies................................................................................................................................................................................ 74 Loginov Yu.N., Zamaraeva Yu.V. Evaluation of the bars’ multichannel angular pressing scheme and its potential application in practice................................................................................................................................................................................................... 90 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Rajpoot Y.S., SharmaA.K., Mishra V.N., Saxena K., Deepak D., Sharma S.S. Eff ect of tool pin profi le on the tensile characteristics of friction stir welded joints of AA8011.................................................................................................................................................... 105 Chinchanikar S., Gadge M.G. Performance modeling and multi-objective optimization during turning AISI 304 stainless steel using coated and coated-microblasted tools........................................................................................................................................................ 117 Ghule G.S., Sanap S., Chinchanikar S. Ultrasonic vibration-assisted hard turning of AISI 52100 steel: comparative evaluation and modeling using dimensional analysis........................................................................................................................................................ 136 Pivkin P.M., Ershov A.A., Mironov N.E., Nadykto A.B. Infl uence of the shape of the toroidal fl ank surface on the cutting wedge angles and mechanical stresses along the drill cutting edge...................................................................................................................... 151 MATERIAL SCIENCE Sokolov R.A., Muratov K.R., Venediktov A.N., Mamadaliev R.A. Infl uence of internal stresses on the intensity of corrosion processes in structural steel....................................................................................................................................................................... 167 Klimenov V.A., Kolubaev E.A., Han Z., Chumaevskii A.V., Dvilis E.S., Strelkova I.L., Drobyaz E.A., Yaremenko O.B., Kuranov A.E. Elastic modulus and hardness of Ti alloy obtained by wire-feed electron-beam additive manufacturing................... 180 Vorontsov A.V., Filippov A.V., Shamarin N.N., Moskvichev E.N., Novitskaya O.S., Knyazhev E.O., Denisova Yu.A., Leonov A.A., Denisov V.V. In situ crystal lattice analysis of nitride single-component and multilayer ZrN/CrN coatings in the process of thermal cycling.......................................................................................................................................................................................... 202 Rubtsov V.E., Panfi lov A.O., Kniazhev E.O., Nikolaeva A.V., Cheremnov A.M., Gusarova A.V., Beloborodov V.A., Chumaevskii A.V., Grinenko A.V., Kolubaev E.A. Infl uence of high-energy impact during plasma cutting on the structure and properties of surface layers of aluminum and titanium alloys................................................................................................................... 216 Bobylyov E.E., Storojenko I.D., Matorin A.A., Marchenko V.D. Features of the formation of Ni-Cr coatings obtained by diff usion alloying from low-melting liquid metal solutions..................................................................................................................................... 232 Burkov А.А., Konevtsov L.А., Dvornik М.И., Nikolenko S.V., Kulik M.A. Formation and investigation of the properties of FeWCrMoBC metallic glass coatings on carbon steel.......................................................................................................................... 244 Sharma S.S., Khatri R., Joshi A. A synergistic approach to the development of lightweight aluminium-based porous metallic foam using stir casting method........................................................................................................................................................................... 255 Strokach E.A., Kozhevnikov G.D., Pozhidaev A.A., Dobrovolsky S.V. Numerical study of titanium alloy high-velocity solid particle erosion.......................................................................................................................................................................................... 268 EDITORIALMATERIALS 284 FOUNDERS MATERIALS 295 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 244 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Формирование и исследование свойств покрытий из металлического стекла FeWCrMoBC на стали 35 Александр Бурков а, Леонид Коневцов b, *, Максим Дворник c, Сергей Николенко d, Мария Кулик e Хабаровский Федеральный исследовательский центр Институт материаловедения ДВО РАН, ул. Тихоокеанская, 153, г. Хабаровск, 680042, Россия a https://orcid.org/0000-0002-5636-4669, burkovalex@mail.ru; b https://orcid.org/0000-0002-8820-6358, konevts@narod.ru; с https://orcid.org/0000-0002-1216-4438, maxxxx80@mail.ru; d https://orcid.org/0000-0003-4474-5795, nikola1960@mail.ru; e https://orcid.org/0000-0002-4857-1887, marijka80@mail.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 4 с. 244–254 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-244-254 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК: 621.9.048.4 История статьи: Поступила: 01 сентября 2023 Рецензирование: 19 сентября 2023 Принята к печати: 19 октября 2023 Доступно онлайн: 15 декабря 2023 Ключевые слова: Металлическое стекло Покрытие Электроискровое легирование Жаростойкость Смачиваемость Коэффициент трения Износостойкость Финансирование Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № 075-0110823-01 (тема № 123020700174-7). Благодарности Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнауки № 13.ЦКП.21.0034) АННОТАЦИЯ Введение. Для получения покрытий из металлического стекла необходимо достижение высоких скоростей охлаждения расплава. Композиция FeWCrMoBC обладает высокой вязкостью расплава и достаточной стеклообразующей способностью для фиксации аморфного состояния при скоростях охлаждения, реализуемых методом электроискрового легирования с использованием кристаллического электрода. Цель работы: одностадийное осаждение аморфного покрытия методом электроискрового легирования с использованием кристаллического анода FeWCrMoBC, приготовленного методом литья, и исследование свойств модифицированной поверхности стали 35: смачиваемости, жаростойкости и трибологических свойств. Методы и результаты. Структура анода и покрытий исследовалась методом рентгенофазового анализа в CuKα-излучении на дифрактометре ДРОН-7. На рентгенограммах покрытий, в отличие от рентгенограмм материала анода, не наблюдались острые брэгговские рефлексы, а присутствовало широкое гало в диапазоне углов 2Ѳ = 40…50°, что указывает на их аморфную структуру. Испытание на циклическую жаростойкость проводилось при температуре 700 °С в течение 100 часов. Износостойкость и коэффициент трения образцов исследовались при сухом трении скольжения на скорости 0,47 м/с при нагрузке 25 Н относительно контртела из быстрорежущей стали Р6М5. Исследовано влияние скважности электрических импульсов на характер массопереноса (эрозия анода, привес катода, коэффициент массопереноса) при формировании покрытия. С уменьшением скважности разрядных импульсов до 9 раз эрозия анода увеличивалась до 5 раз, а привес катода возрос до 2,2 раза. Максимальный коэффициент массопереноса достигался при наибольшей скважности импульсов. Наблюдалось повышение ряда свойств поверхности стали 35 после покрытия: твердость поверхности образцов после покрытия возросла в 2,3–2,6 раза; средняя толщина покрытий находилась в диапазоне 56–80,6 мкм; угол смачивания находился в диапазоне от 108,4 до 121,3°; коэффициент трения снизился в 1,2–1,4 раза; износостойкость возросла в 2–3,3 раза; окисляемость на воздухе снизилась до 14–18 раз. Область применения и выводы. Достигнутые более высокие свойства (твердость, износостойкость, жаростойкость, гидрофобность) исполнительных поверхностей деталей из стали 35 после нанесения предложенных покрытий могут быть использованы в различных отраслях машиностроительного производства. Результаты работы подтвердили возможность осаждения покрытий из металлического стекла методом электроискрового легирования с использованием анодного материала FeWCrMoBC на стали 35. Для цитирования: Формирование и исследование свойств покрытий из металлического стекла FeWCrMoBC на стали 35 / А.А. Бурков, Л.А. Коневцов, М.И. Дворник, С.В. Николенко, М.А. Кулик // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 4. – С. 244–254. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-244-254. ______ *Адрес для переписки Коневцов Леонид Алексеевич, к.т.н., с.н.с. Хабаровский Федеральный исследовательский центр Дальневосточного отделения Российской академии наук, ул. Тихоокеанская, 153, 680042, г. Хабаровск, Россия. Тел.: +7 (924) 105-97-46. E-mail: konevts@narod.ru Введение Структура металлических стекол (МС) в отличие от металлов аморфна, характеризуется наличием ближнего порядка и отсутствием дальнего порядка в расположении атомов, что характерно для атомной структуры переохлажденных расплавов. Благодаря этому объемные метал-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 4 2023 245 MATERIAL SCIENCE лические стекла обладают высокой эластичностью, сравнимой с полимерами, повышенными модулем Юнга [1–3], магнитными свойствами [4], каталитической активностью [5–7], устойчивостью к воздействию радиации и др. Производство объемных МС с толщиной более 10 мм на сегодня затруднительно из-за требования высокой скорости охлаждения материала. Поэтому перспективно наносить МС-покрытия для придания свойств исполнительным поверхностям массивных деталей. МС и упрочняющие покрытия, сформированные из МС на основе железа, имеют повышенную твердость [8], повышенную износостойкость [1, 9, 10], более низкие коэффициенты трения [11], жаростойкость [12, 13], коррозионную стойкость [2, 14–16] и другие свойства [17, 18] относительно материала основы. Для получения МС-покрытий необходимо достижение высоких скоростей охлаждения расплава. Композиция FeWCrMoBC содержит элементы c существенно различающимися атомными радиусами, благодаря этому такой расплав обладает высокой вязкостью, что затрудняет перемещение атомов для выстраивания кристаллической структуры и поэтому не требует экстремально высоких скоростей охлаждения для формирования МС в отличие от чистых металлов. Электроискровое легирование (ЭИЛ) обеспечивает достаточно высокие скорости охлаждения (105–107 К/с) [19, 20] подобных материалов в микрованне расплава для фиксации аморфного состояния. ЭИЛ основано на явлении полярного переноса материала с анода на катод при протекании микросекундных низковольтных электрических разрядов [21], вследствие чего при ЭИЛ можно использовать кристаллический электроданод для одностадийного осаждения аморфного покрытия [22]. Ранее мы получали аналогичные покрытия, используя электроды (аноды), изготовленные методом порошковой металлургии. Цель настоящей работы: одностадийное осаждение аморфного покрытия методом ЭИЛ с использованием кристаллического анодного материала FeWCrMoBC, приготовленного методом литья с большей концентрацией железа, а также исследование смачиваемости, жаростойкости и трибологических свойств покрытий. Методика исследований В лабораторных условиях ХФИЦ ИМ ДВО РАН методом литья был создан анодный материал композиции Fe31W10Cr22Mo7B12C18 из смеси порошков (табл. 1). Порошки смешивались и засыпались в корундовый тигель, который помещался в муфельную печь, разогретую до 1200 °С. После выдержки в течение 15 минут тигель вынимался из печи и расплав выливался на стальную плиту при комнатной температуре. Полученный материал разрезался на прямоугольники 4×4×30 мм3, которые служили анодами. В качестве силового генератора импульсов при ЭИЛ использовали установку ИМЭИЛ со следующими режимами обработки: длительность разрядных импульсов tр = 50 мкс; рабочий ток Iр = 195 ± 10 А; напряжение 40 ± 5 В; скважность S = T/τ = 50…450, где S – скважность, T – период импульсов, τ – длительность импульса (табл. 2). Покрытия осаждали на поверхность образцов-катодов из стали 35 в форме цилиндра высотой 5 мм и диаметром 12 мм методом ЭИЛ в течение 6 мин/см2 в среде воздуха. Величины эрозии анода и привеса катода определялись гравиметрическим методом на электронных весах BSM-120 с точностью 0,1 мг. Для исследования структуры образцов использовали рентгеновский дифрактометр ДРОН-7 в CuKα-излучении. Твердость покрытий измеряли на микротвердомере ПМТ-3М при нагрузке 0,5 Н по методу Виккерса. Износостойкость и коэффициент трения покрытий исследовали по стандарту ASTM G99-17 при сухом трении скольжения с применением контртела в виде Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Состав порошковой шихты для приготовления анода Composition of the powder mixture for the anode preparation Концентрация, вес.% B4C W Mo Fe Cr C 2,97 32,82 11,4 29,8 19,95 3,06
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 246 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Режимы ЭИЛ Modes of electric discharge alloying Обозначение образцов МС50 МС150 МС450 Скважность 50 150 450 Период, мкс 2,5 7,5 22,5 Длительность, мкс 50 50 50 Число импульсов 144 000 48 000 16 000 диска из быстрорежущей стали М45 (65 HRC) на скорости 0,47 м/с при нагрузке 25 Н. Тесты на циклическую жаростойкость проводили в муфельной печи при температуре 700 °С на воздухе. Образцы в виде куба с ребром 6 мм с покрытием на каждой грани выдерживали при заданной температуре в течение примерно 6 часов, затем охлаждали в эксикаторе до комнатной температуры. Общее время тестирования составляло 100 часов. Во время испытания на жаростойкость образцы помещали в керамические тигли для учета массы образовавшихся оксидов. Краевой угол смачивания определяли методом «сидячей капли» [23]. Свободную поверхностную энергию определяли по смачиванию дистиллированной водой, этанолом (C2H5OH), раствором хлорида натрия (6M NaCl) и муравьиной кислотой (CH2O2). Свободная поверхностная энергия рассчитывалась с использованием теоретической модели [24]: SL S L Y Y Y 2 1 2 1 ( ) , S L L S Y Y Y Y β (1) что в сочетании с уравнением Юнга дает (1 cos ) L Y Θ 2 1 2 1 ( ) , S L L S Y Y Y Y β (2) где β1 = 0,0001057 (м/мН) 2; тогда уравнение (2) позволяет с некоторым допущением оценить свободную поверхностную энергию (YS) по измерению угла контакта жидкости с известным поверхностным натяжением YL. Результаты и их обсуждение Изучение массопереноса при ЭИЛ имеет значение для установления факта положительного привеса катода и величины удельного привеса, особенно при использовании новых электродных пар анод-катод, поскольку толщину покрытия можно рассматривать как функцию от привеса катода [25]. На рис. 1 показаны зависимости эрозии анода, привеса катода и суммарного коэффициента массопереноса от времени ЭИЛ. Кривые электрической эрозии анодов линейно возрастали во время ЭИЛ (рис. 1, а), наибольшая эрозия анода наблюдалась при наименьшей скважности импульсов. С увеличением скважности в 3 и 9 раз значения величин эрозии уменьшались соответственно в 1,2 и 5 раз. Таким образом, эрозия анода нелинейно зависит от числа импульсов, посылаемых генератором. С ростом скважности из-за сокращения числа разрядных импульсов значения величин привеса уменьшались соответственно в 1,5 и 2,2 раза (рис. 1, б). Привес катода за первые 4 минуты ЭИЛ монотонно возрастал, а в последующие 5–6 минут наблюдалось замедление привеса изза приближения к порогу хрупкого разрушения [21]. В соответствии с этим коэффициент массопереноса (Kп) постепенно снижался с ростом времени ЭИЛ для всех режимов. При скважности импульсов 450 Kп был вдвое большим по сравнению с другими режимами (рис. 1, в). Это объясняется уменьшением количества разрядов, приходящихся на единицу обрабатываемой поверхности в единицу времени, при котором электроды остывают до более низких температур. При снижении начальной температуры анода уменьшается объем микрованны расплава и соответственно снижается эрозия при единичном разряде. Рентгенофазовый анализ показал, что в составе анода композиции Fe31W10Cr22Mo7B12C18
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 4 2023 247 MATERIAL SCIENCE а б в Рис. 1. Кинетика массопереноса при ЭИЛ с различной скважностью импульсов: а – эрозия анода ƩΔа, мг/см 2; б – привес катода ƩΔ к мг/см 2; в – средний коэффициент массопереноса образцов МС50, МС 150 и МС 450 Fig. 1. Kinetics of mass transfer during EDA with diff erent pulse intensity: erosion of the anode ƩΔa, mg/cm2 (a); cathode weight gain ƩΔ c mg/cm2 (б); average mass-transfer coeffi cient ΣC t.a of specimens MS50, MS150, MS450 (в) наблюдаются фазы феррохрома (Fe-Cr), боридов и карбидов: Fe23B4, MoFeB2, α-WC и Mo2C (рис. 2, а), которых не было в составе порошковой шихты перед плавкой. Это свидетельствует об интенсивных химических реакциях в процессе выдержки композиции, представленной в табл. 1, при температуре 1200 °С. В то же время на рентгеновских спектрах покрытий, полученных с его использованием, не наблюдаются острые брэгговские рефлексы, а присутствует широкое гало в диапазоне углов 2Ѳ = 40…50°, что указывает на аморфную структуру осажденных слоев. Основные характеристики ЭИЛ-покрытия на стали 35 с использованием Fe31W10Cr22Mo7B12C18анода приведены в табл. 3. Средняя толщина покрытий находилась в диапазоне 56–80 мкм, максимум наблюдался у образца МС50. Шероховатость поверхности покрытий по параметру Ra монотонно уменьшалась с 6,79 до 5,46 мкм c увеличением скважности. Угол контакта с дистиллированной водой находился в ди- а б Рис. 2. Рентгеновские дифрактограммы Fe31W10Cr22Mo7B12C18-анода (а); смачиваемость поверхности покрытия образца МС450 (б) Fig. 2. X-ray diff raction patterns of the anode of the Fe31W10Cr22Mo7B12C18 composition (a); wettability of the coating surface of the MG450 specimen (б)
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 248 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Т а б л и ц а 3 Ta b l e 3 Характеристики осажденных покрытий Characteristics of the deposited coatings Параметр Сталь 35 МС50 МС150 МС450 Толщина покрытия hср, мкм – 80,6 77,1 56,1 Шероховатость Ra, мкм 3,2 ± 1,5 6,79 ± 1,54 7,34 ± 1,74 5,46 ± 0,92 Угол смачивания, град 57,5 ± 3,8 111,9 ± 6,1 108,4 ± 7,3 121,3 ± 4,9 Энергия поверхности, мДж/м2 39,97 ± 17,6 32,3 ± 18,7 33,1 ± 17 29,9 ± 15,5 апазоне от 108,4 до 121,3° (рис. 2, б), что выше в сравнении со сталью (57,5°). Была вычислена свободная поверхностная энергия покрытий, которая находилась в диапазоне 29,9‒32,3 мДж/м2, что ниже по сравнению с исходным материалом подложки (39,97 мДж/м2). Это говорит о том, что нанесение Fe31W10Cr22Mo7B12C18-покрытий может снизить активность поверхности стали 35 к загрязнениям и коррозии [26]. Микротвердость Fe31W10Cr22Mo7B12C18-покрытий находилась в диапазоне 6,65–7,56 ГПа (рис. 3), что в 2,3–2,6 раза выше, чем у стали 35 без покрытия, а также превышает значения, полученные другими исследователями для МС Fe47Cr20Mo10W6C15B6Y2 (1,28 ГПа) [27]. Микротвердость соизмерима со значениями для МС Zr50Cu28Al14Ni8 (7,2 ГПа), Cu48Zr42Al6Ti4 (4,0 ГПа) и Hf46Cu45Al6Ti3 (7,7 ГПа) [28], уступая данным, полученным для МС Fe65Ti13Co8Ni7B6Nb1 Рис. 3. Микротвердость покрытий Fig. 3. Microhardness of coatings (11,6 ГПа) [27] и МС Fe41Cr8Ni8Mo8Co8C16B11 (10–15 ГПа) [29]. Значения величин коэффициента трения исследуемых образцов с покрытиями монотонно снижались от 0,49 до 0,44 с ростом скважности импульсов от 50 до 450 (рис. 4, а). Коэффициент трения образцов с покрытиями был меньше, чем у стали 35 без покрытия (0,6) и соизмерим с ранее полученными данными для МС Zr35Ti30Cu8.25Be26.75, (0,43–0,6) [11], несколько уступая полученным данным для МС Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5 (0,27–0,35) [30]. Однако последние МС содержат бериллий, который чрезвычайно токсичен. Приведенный износ образцов с покрытиями находился в диапазоне от 0,86 · 10–5 до 1,45 · 10–5 мм3/(Н · м) (рис. 4, б). Таким образом, применение покрытий из металлического стекла Fe31W10Cr22Mo7B12C18 позволяет повысить износостойкость поверхности стали 35 от 2,0 до 3,3 раза. Наиболее высокие значения износостойкости показало покрытие, полученное при наименьшей скважности 50. Испытание образцов на жаростойкость характеризует не только сопротивляемость материала покрытия окислению, но и сплошность осажденного слоя. Показана кинетика изменения массы образцов с Fe31W10Cr22Mo7B12C18покрытиями (рис. 5, а, левая шкала) и стали 35 без покрытия (рис. 5, а, правая шкала) при температуре 700 °С. Привес образцов обусловлен фиксацией кислорода на поверхности образцов в виде гематита (рис. 5, б). За 100 часов испытаний образцы с покрытиями от 13,5 до 18,8 раза меньше подверглись окислению, чем сталь 35, вследствие ограничения контакта кислорода со стальной подложкой (рис. 5, в). Защитный эффект покрытий увеличивался при
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1